西班牙研究人員利用靜電射流偏轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種具有亞微米特征的超快3D打印方法。

本文詳細(xì)介紹了這一新技術(shù)，闡述了為克服現(xiàn)有增材制造技術(shù)對生產(chǎn)速度的限制，提出了靜電射流偏轉(zhuǎn)法。從他們的測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)靜電射流偏轉(zhuǎn)可以通過層層疊加納米纖維來打印具有亞微米特征的三維物體，頻率高達(dá)2000赫茲。

噴射速度和層層頻率相當(dāng)于打印速度達(dá)到0.5米s。?1平面和0.4毫米秒?1研究人員稱，在垂直方向上，“比提供同等特征尺寸的技術(shù)快三到四個(gè)數(shù)量級”。

一面“墻”的3D打印原理圖。

改進(jìn)3D打印工藝

研究人員首先開始描述增材制造技術(shù)為今天的生產(chǎn)提供的好處，并寫道：“增材制造已成為分布式定制產(chǎn)品生產(chǎn)的新范式，在幾何自由設(shè)計(jì)、材料利用和縮短提前期方面提供了優(yōu)勢?！?/p>

盡管如此，已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，目的是改進(jìn)現(xiàn)有的3D打印工藝。例如，奧地利的研究人員探索了基于材料擠壓的增材制造方法(ME-AM/fdm/fff)所需的必要改進(jìn)，以便“迎接復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)“其他的研究也研究了快速打印速度對粘結(jié)劑噴射過程的影響，特別是在表面粗糙度和密度均勻性方面。

正如許多旨在改進(jìn)現(xiàn)有增材制造工藝的研究論文所做的那樣，本文的作者指出，目前3D打印技術(shù)存在一些限制，即生產(chǎn)速度、材料的可用性和組合，以及對它們的微結(jié)構(gòu)和功能的控制?！按送?，”作者補(bǔ)充說，“制造設(shè)備的成本和復(fù)雜性，使生產(chǎn)亞微米的功能，是令人望而卻步的真正的分布式生產(chǎn)?！?/p>

特別是，基于噴頭的3D打印技術(shù)提供了一個(gè)很好的例子，它提供了“無與倫比的多功能性”，因?yàn)樗軌蛏a(chǎn)各種不同程度的材料制成的物體，從聚合物到金屬，到陶瓷，到木材，甚至到生物組織。研究人員解釋說：“這種無與倫比的多功能性來源于金屬或聚合物熔體或溶劑型油墨的使用，這種墨水可以被配制成含有離子、分子、納米粒子甚至活細(xì)胞形式的任何成分?！?/p>

然而，目前基于噴頭的3D打印技術(shù)相對較慢，打印分辨率有限，因?yàn)榇蛴【€的寬度與噴嘴孔徑的寬度相關(guān)，通常在幾十微米以上。即使使用較小的噴嘴孔，這一過程也容易出現(xiàn)頻繁堵塞和高粘性損失。

靜電射流偏轉(zhuǎn)技術(shù)

作者提出了一種適用于高分辨率三維打印的電流體噴射(EHD)方法，與其它基于噴頭的三維打印方法相比，該方法適用于高分辨率的三維打印。由ETH Zürich的研究人員演示2019年。EHD噴射機(jī)允許打印亞微米的特性，沒有堵塞噴嘴的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗梢允褂枚喾N墨水從寬噴嘴孔產(chǎn)生納米大小的射流，粘度超過幾個(gè)數(shù)量級。

圓筒的3D打印原理圖。

然而，由于電射流速度太快，無法被機(jī)械級精確采集，因此EHD射流還沒有得到廣泛的應(yīng)用。“基于EHD噴射的現(xiàn)有系統(tǒng)使用機(jī)械級將材料定位在打印基板上。然而，機(jī)械級只能與長直線上帶電射流的巨大速度相匹配，而不能達(dá)到在打印小復(fù)雜圖案的同時(shí)保持這種速度所需的巨大加速度。“作者補(bǔ)充道。

為了克服EHD噴射過程的局限性，研究人員提出用電極來修飾電場。使用傳統(tǒng)的ehd打印機(jī)，研究人員將電極放置在射流周圍，并控制它們的電壓，以橫向加速度高達(dá)106米的速度連續(xù)調(diào)整其軌跡。?2。這使得噴射器能夠進(jìn)行超快的靜電偏轉(zhuǎn)，使納米纖維被堆疊起來，以打印具有亞微米特征的3D物體。

光學(xué)照片的噴嘴，墨滴(以下虛線)，泰勒錐，和電噴產(chǎn)生1000V之間的噴嘴和打印基板(未顯示)。

從他們的測試中，研究人員能夠通過層層沉積高達(dá)100米的材料，以及非常高的縱橫比和高速來打印物體：“快速噴射和這些高層次性頻率轉(zhuǎn)化為高達(dá)0.5米s的打印速度。?1平面和0.4毫米秒?1飛機(jī)外，即在垂直方向上，在生產(chǎn)等效特征尺寸時(shí)，擠壓和按需下降的EHD技術(shù)比可實(shí)現(xiàn)的速度快三到四個(gè)數(shù)量級?！?/p>

最后，研究人員指出，EHD射流偏轉(zhuǎn)打印技術(shù)的優(yōu)勢，正如他們在論文中所展示的那樣，有可能使這項(xiàng)技術(shù)更接近于3D物體超快的可加性微制造。論文《基于靜電射流偏轉(zhuǎn)的亞微米超快3D打印》是由Levgenii Liashenko，JoanRosell-LlomPart，andreuCabot寫的。文章發(fā)表在《自然通訊》。